CH705941A2

CH705941A2 - Low-pressure hydroelectric power station, has centripetal turbine comprising turbine foot plate positioned on height over lower water level in specific region of entire height of fall between upper water level and lower water level

Info

Publication number: CH705941A2
Application number: CH02053/11A
Authority: CH
Inventors: Reto Arnet
Original assignee: Ingbuero Arnet Gmbh
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-28

Abstract

The power station has an inlet (17) designed as a groove and provided with an acceleration channel (20) that increasingly tapers in flow direction. The acceleration channel has an outlet opening that opens into a turbine chamber (22) at an immediate position. A centripetal turbine (3) e.g. Francis turbine, has a turbine foot plate positioned on height (Hu) over a lower water level (27) in a region of 25 % to 50 % of entire height of fall between an upper water level (16) and the lower water level. Conical intake ports are arranged at a base of the turbine chamber or at the foot plate.

Description

Aufgabe/Konzept der ErfindungTask / concept of the invention

[0001] Im erfindungsgemässen Kleinkraftwerk wird das zufliessende Wasser direkt genutzt, vorzugsweise ohne Stauraum. Das Kleinkraftwerk kann neben einer Flussschwelle erstellt werden, auch in einer Ausführung mit mehreren Turbinenkammern oder es besteht die Möglichkeit, diese abseits des Flusses zu erstellen, versehen mit Zulauf- und Auslaufkanal. Es ist auch möglich, mehrere Kleinkraftwerke hintereinander zu reihen, sofern der Flussabschnitt sich dafür eignet. Vorzugsweise wird die Struktur des Kleinkraftwerks aus Stahlbeton erstellt. Bei kleinen Anlagen ist eine Ausführung optional ganz in Stahl möglich. In the inventive small power plant, the incoming water is used directly, preferably without storage space. The small power plant can be created next to a river threshold, even in a version with several turbine chambers or it is possible to create these off the river, provided with inlet and outlet channel. It is also possible to line up several small power plants, provided that the river section is suitable. Preferably, the structure of the small power plant is made of reinforced concrete. For small systems, a version is optionally available entirely in steel.

[0002] Die Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine erfindungsgemässe, horizontal liegende Zentripetalturbine beinhaltet, integriert in die Konzeption einer kompakten, robusten Wasserkraftanlage mit sämtlichen baulichen Komponenten, die für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderlich sind und die ökologischen Bedingungen, wie zum Beispiel Fischfreundlichkeit erfüllt. Der Ausleger eines Drehkrans ist so ausgelegt, dass er den für den normalen Unterhalt wichtigen Bereich abdeckt und alle austauschbaren Teile erreicht werden. The system is characterized in that it includes at least one inventive, horizontal centripetal turbine, integrated into the concept of a compact, robust hydropower plant with all the structural components that are required for economic operation and environmental conditions, such as fish friendliness Fulfills. The jib crane is designed to cover the normal maintenance area and to reach all interchangeable parts.

[0003] Die Oberkante des Laufrads der erfindungsgemässen Zentripetalturbine liegt in den massgebenden Betriebszuständen an oder knapp unter dem Wasserstand in der Turbinenkammer und ein vertikaler Saugstutzen unterseitig der Zentripetalturbine reicht stets ins Unterwasser des Grundablasskanals hinab und erzeugt einen kontinuierlichen, starken Sog und Geschwindigkeitsdruck auf die Laufblätter der Zentripetalturbine. Um bei abnehmendem Volumenstrom einen fallenden Oberwasserspiegel zu begrenzen, kann am Ende des Auslaufbeckens bei Bedarf eine regulierbare Klappe angeordnet werden. The upper edge of the impeller of the invention centripetal turbine is in the authoritative operating conditions at or just below the water level in the turbine chamber and a vertical suction on the underside of the centripetal turbine always reaches down into the underwater drainage channel and produces a continuous, strong suction and speed pressure on the blades the centripetal turbine. In order to limit a falling upper water level when the volume flow decreases, an adjustable flap can be arranged at the end of the outlet basin if required.

[0004] Die über dem Unterwasserspiegel liegende Zentripetalturbine mit Saugstutzen ermöglicht ausserdem, erfindungsgemäss Raum für einen Grundablasskanal unterhalb der Turbinenkammer zu gewinnen. Der Grundablasskanal dient auch zur periodischen Reinigung eines erfindungsgemässen, leicht überhängend konstruierten Grobrechens, ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand, wenn eine automatisch gesteuerte Schütze den Einlaufkanal in die Turbinenkammer verschliesst, gleichzeitig den Weg in den Grundablasskanal freigibt und das Wasser durch den Grundablasskanal schiesst. The lying above the underwater centripetal turbine with suction allows also, according to the invention to gain space for a bottom outlet channel below the turbine chamber. The bottom drainage channel is also used for periodic cleaning of an inventive, slightly overhanging designed Grobrechens, without additional work when an automatically controlled contactors closes the inlet channel in the turbine chamber, at the same time releases the way into the bottom outlet and shoots the water through the bottom outlet channel.

[0005] Falls grosse Fische den erfindungsgemässen, überhängenden Grobrechen nicht passieren können und ein zurückschwimmen nicht möglich ist, so ist es ihnen aber doch möglich, sich nach unten zu bewegen, in den ruhigen Raum des Einlaufkanals vor der normalerweise geschlossenen Schütze. Die Fische können von dort aus wieder zurück schwimmen oder beim gelegentlichen Öffnen der Schütze das Kraftwerk passieren. Fische, die klein genug sind um den Grobrechen zu passieren, gelangen in die Turbinenkammer. Während die tangentiale Wassergeschwindigkeit in der Turbinenkammer hoch ist, ist die radiale Fliessgeschwindigkeit durch das Laufrad der Turbine gering. Auch ist der Querschnitt zwischen den Laufblättern der Turbine gross genug, um Fische gefahrlos passieren zu lassen. Fische können auch stromaufwärts passieren, in der im Kleinkraftwerk erfindungsgemäss integrierten, innovativen Fischschleuse. Diese wird individuell nach dem Stand der Technik dimensioniert und gesteuert. If big fish the inventive, overhanging Grobrechen can not happen and a back float is not possible, but it is still possible for them to move down, in the quiet space of the inlet channel before the normally closed shooter. The fish can swim back from there or pass through the power plant when the shooter opens them occasionally. Fish that are small enough to pass the coarse screen will enter the turbine chamber. While the tangential water velocity in the turbine chamber is high, the radial flow velocity through the impeller of the turbine is low. Also, the cross section between the blades of the turbine is large enough to let fish pass safely. Fish can also pass upstream, in the integrated in the small power plant according to the invention, innovative fish lock. This is individually dimensioned and controlled according to the state of the art.

Recherchen/HintergrundResearch / background

[0006] Folgende Typen von Wasserturbinen unterscheiden sich im Wirkungsprinzip und dem Konzept von der erfindungsgemässen Zentripetalturbine, die zudem in ein umfassendes, integrales Konzept eines Kleinkraftwerks für Flüsse integriert ist. The following types of water turbines differ in the principle of operation and the concept of the inventive centripetal turbine, which is also integrated into a comprehensive, integral concept of a small power station for rivers.

[0007] Francis-Turbinen: Bei der Francisturbine wird das Wasser durch ein schneckenförmiges Einlaufrohr in zusätzlichen Drall versetzt und anschliessend durch ein feststehendes Leitrad mit meist verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt, ausser bei der als Schachtturbine ausgebildeten Konstruktion. Mit Hilfe der Leitschaufeln wird die Drehzahl und damit die Leistung der Turbine bei Lastwechseln des angeschlossenen Generators und bei wechselnden Wasserständen konstant gehalten. Francis turbines: In the Francis turbine, the water is displaced by a helical inlet pipe in additional spin and then directed by a fixed stator with mostly adjustable blades on the counter-curved blades of the impeller, except in the design of a shaft turbine construction. With the help of the guide vanes, the speed and thus the power of the turbine is kept constant during load changes of the connected generator and with changing water levels.

[0008] Ossberger-Turbinen: z.B. die Patente DE 3 327 456, 14.02.1985 und EP 0 133 306, 20.02.1985: Durchströmturbine mit horizontaler Achse, walzenförmig. Der aus dem Leitapparat kommende Freistrahl durchströmt das Laufrad zuerst von aussen nach innen und nach Durchquerung des Radinnern nochmals von innen nach aussen, gute Anpassungsfähigkeit an wechselnde Wasserströme und gutes Teillastverhalten. Die Turbine hat in der Regel ein Saugrohr/Saugstutzen. Ossberger turbines: e.g. the patents DE 3 327 456, 14.02.1985 and EP 0 133 306, 20.02.1985: through-flow turbine with horizontal axis, roller-shaped. The free jet coming from the diffuser flows through the impeller first from outside to inside and after crossing the inside of the wheel again from the inside to the outside, good adaptability to changing water flows and good partial load behavior. The turbine usually has a suction pipe / suction nozzle.

[0009] Schachtturbine mit vertikaler Achse für Kleinkraftwerke in Flüssen: Patent DE 10 2009 037 196, 21.10.2010: Durchflussturbine, die primär auf dem statischen Wasserdruck und dem Unterdruck des gekrümmten Saugrohrs funktioniert. Turbine und Generator sind im Schacht unter Wasser angeordnet. Shaft turbine with vertical axis for small power plants in rivers: Patent DE 10 2009 037 196, 21.10.2010: flow turbine, which works primarily on the static water pressure and the negative pressure of the curved suction pipe. Turbine and generator are arranged in the shaft under water.

[0010] Turbinen mit vertikaler Achse, basierend auf dem Wirkungsprinzip eines stabilen Gravitations-Wasserwirbels für Kleinkraftwerke in Flüssen: - Patent Nr. WO 2011 051 421, 05.05.2011: Walzenförmige Turbine. Laufschaufeln die sich bis zum durchgängigen, tiefliegenden Boden des Rotationsbeckens erstrecken, einseitig mit einer stirnseitigen Deckscheibe verbunden, unten offen. - Patent Nr. AT 412 363, 15.02.2004: Turbine, die im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen die Ausbildung eines stabilen Gravitations-Wasserwirbels unterstützt. Eine koaxial im Gravitations-Wasserwirbel rotierende Turbine entzieht dem Wasserwirbel Rotationsenergie, die in elektrische Energie umgewandelt wird. Turbines with vertical axis, based on the principle of action of a stable gravitational water vortex for small power stations in rivers: - Patent No. WO 2011 051 421, 05.05.2011: Roll-shaped turbine. Blades extending to the continuous, low-lying bottom of the rotary bowl, connected on one side with a front cover plate, open at the bottom. - Patent No. AT 412 363, 15.02.2004: Turbine, which in contrast to conventional systems supports the formation of a stable gravitational water vortex. A turbine rotating coaxially in the gravitational vortex deprives the water vortex of rotational energy, which is converted into electrical energy.

Funktionsweisefunctionality

[0011] Zwischen Oberwasser (19) und Unterwasser (20) umfasst das erfindungsgemässe Kleinkraftwerk (31) folgende funktionsmässig, hauptsächlichen Teile: Einlaufkanal (21), runde Turbinenkammer (12), Zentripetalturbine (1), Saugstutzen (11), Auslaufbecken (26), Überfallbecken (23), Fischschleuse (25) und Grundablasskanal (24). Between upper water (19) and underwater (20), the inventive small power plant (31) comprises the following functionally, principal parts: inlet channel (21), round turbine chamber (12), centripetal turbine (1), suction nozzle (11), outlet basin (26 ), Raid basin (23), fish lock (25) and bottom outlet channel (24).

[0012] Die erfindungsgemässe Zentripetalturbine (1) ist breit, flach und läuft mit kleiner Drehzahl. In dem sich verengenden Einlaufkanals (21) wird das Wasser noch beschleunigt. Es strömt in die runde Turbinenkammer (12), wo es abgelenkt und weiter beschleunigt wird. Das Laufrad der Turbine (2) wird deshalb mit grosser Tangentialgeschwindigkeit angesteuert. The inventive centripetal turbine (1) is wide, flat and runs at low speed. In the narrowing inlet channel (21), the water is still accelerated. It flows into the round turbine chamber (12), where it is deflected and further accelerated. The impeller of the turbine (2) is therefore driven with a large tangential velocity.

[0013] Die Konstruktion der Zentripetalturbine (1) ist vorzugsweise, eine in der Metallwerkstatt kostengünstig herzustellende, geschweisste Stahlkonstruktion. Die Laufblätter (3) sind nur in der radialen Richtung gekrümmt. Die Zentripetalturbine (1) erfährt grosse, nach unten gerichtete Sogkräfte. Erfindungsgemäss mit der Deckscheibe des Laufrads (5) verbundene Stahlstreben (17) ermöglichen erst die dünne und leichte Konstruktion des Laufrads (2). Das auf der Unterseite des Laufrads (2) mitrotierende, kegelförmige Strömungsumlenkelement (6) lenkt das abfliessende Wasser in einen vertikalen Saugstutzen (11), der mit seinem unteren Ende im Auslaufbecken (26) mündet. Augenmerk gilt der Minimierung des Spalts zwischen der Zentripetalturbine (1) und dem Turbinenkammerboden (13). Dieser kann mittels höhenregulierbarer Stahlträger (10) exakt eingestellt werden. The construction of the centripetal turbine (1) is preferably, a cost-effective to produce in the metal workshop, welded steel construction. The running blades (3) are curved only in the radial direction. The centripetal turbine (1) experiences large, downward suction forces. According to the invention with the cover plate of the impeller (5) connected steel struts (17) allow only the thin and lightweight construction of the impeller (2). The co-rotating on the underside of the impeller (2), conical Strömungsumlenkelement (6) directs the effluent water in a vertical suction nozzle (11), which opens with its lower end in the outlet basin (26). Attention is paid to the minimization of the gap between the centripetal turbine (1) and the turbine chamber bottom (13). This can be precisely adjusted by means of height-adjustable steel beams (10).

[0014] In bekannter Weise wurden bei Laufwasserkraftwerken mit Kaplan-, Francis- oder Durchströmturbinen für den Teillastbetrieb mehr oder wenige aufwendige Durchflussregelungssysteme entwickelt. Bei der erfindungsgemässen Zentripetalturbine (1) entfallen diese. Zugleich wird auf einen eigentlichen Leitapparat verzichtet. Hingegen sind ein oder mehrere, gekrümmte Leitbleche (14) eingangs der Turbinenkammer (12) vorgesehen. In known manner more or less complicated flow control systems have been developed in run-of-river power plants with Kaplan, Francis or Durchströmturbinen for part-load operation. In the centripetal turbine (1) according to the invention, these are eliminated. At the same time is dispensed with an actual nozzle. On the other hand, one or more curved guide plates (14) are provided at the beginning of the turbine chamber (12).

[0015] Die erfindungsgemässe Zentripetalturbine (1) wird vorzugsweise mit einem konventionellen Generator und Getriebe betrieben (18). Falls ein starkes Hochwasser die Anlage überfluten könnte, wird vorzugsweise eine auf dem Markt erhältliche, wasserdichte Ausführung benutzt. Vorzugsweise ist die Turbinenwelle (7) zweifach gelagert». Unten mittels eines speziellen Unterwasserlagers (8), oben mittels eines konventionellen Lagers (9). Das obere Lager (9) übernimmt auch die vertikalen Lasten der Turbinenwelle und trägt diese auf die Tragkonstruktion ab. The inventive centripetal turbine (1) is preferably operated with a conventional generator and transmission (18). If severe flooding could flood the system, it is preferable to use a waterproof version available on the market. Preferably, the turbine shaft (7) is stored twice ». Below by means of a special underwater storage (8), above by means of a conventional bearing (9). The upper bearing (9) also takes over the vertical loads of the turbine shaft and transfers it to the supporting structure.

Zeichnungendrawings

[0016] Es folgen schematische Zeichnungen der erfindungsgemässen Zentripetalturbine (1) und des Konzepts des erfindungsgemässen Kleinkraftwerks (31): <tb>Fig. 1:<sep>Ansicht Kleinkraftwerk <tb>Fig. 2:<sep>Schnitt Turbinengehäuse (Stahlbeton), Zentripetalturbine, Saugstutzen <tb>Fig. 3<sep>Grundriss Kleinkraftwerk <tb>Fig. 4:<sep>Längsschnitt Kleinkraftwerk B-BThere follow schematic drawings of the inventive centripetal turbine (1) and the concept of the inventive small power plant (31): <Tb> FIG. 1: <sep> view small power station <Tb> FIG. 2: <sep> Cut turbine casing (reinforced concrete), centripetal turbine, suction nozzle <Tb> FIG. 3 <sep> floor plan small power station <Tb> FIG. 4: <sep> longitudinal section small power station B-B

[0017] <tb>Bezeichnungen<sep>Nr. <tb>Zentripetalturbine (gesamt)<sep>1 <tb>Laufrad der Turbine<sep>2 <tb>Laufblätter der Turbine<sep>3 <tb>Fussscheibe des Laufrads der Turbine<sep>4 <tb>Deckscheibe des Laufrads der Turbine<sep>5 <tb>Strömungsumlenkelement der Turbine<sep>6 <tb>Turbinenwelle<sep>7 <tb>Unterwasserlager der Turbinenwelle<sep>8 <tb>Oberes Lager der Turbinenwelle<sep>9 <tb>Stahlstützkonstruktion für Generator<sep>10 <tb>Saugstutzen, mitrotierend oder am Turbinenkammerboden fixiert<sep>11 <tb>Turbinenkammer<sep>12 <tb>Turbinenkammerboden<sep>13 <tb>Leitblech(e) in der Turbinenkammer<sep>14 <tb>Schütze vor der Turbinenkammer<sep>15 <tb>Schütze zur Reinigung der Turbinenkammer<sep>16 <tb>Stahlstreben (Sog- und Druckkräfte)<sep>17 <tb>Generator (konventionell oder Permanentsynchron)<sep>18 <tb>Oberwasserstand<sep>19 <tb>Unterwasserstand<sep>20 <tb>Einlaufkanal<sep>21 <tb>Grobrechen im Einlaufkanal<sep>22 <tb>Überfallbecken<sep>23 <tb>Grundablasskanal<sep>24 <tb>Im Bauwerk integrierte Fischschleuse<sep>25 <tb>Auslaufbecken<sep>26 <tb>Klappe (vertikal beweglich an Ende Auslaufbecken)<sep>27 <tb>Auslaufkanal<sep>28 <tb>Drehkran<sep>29 <tb>Überfallkante<sep>30 <tb>Erfindungsgemässes Kleinkraftwerk<sep>31[0017] <Tb> names <sep> No. <tb> Centrifugal turbine (total) <sep> 1 <tb> turbine impeller <sep> 2 <tb> turbine blades <sep> 3 <tb> Turbine wheel impeller <sep> 4 <tb> Cover disc of impeller of turbine <sep> 5 <tb> Turbine Flow Diverter <sep> 6 <Tb> turbine shaft <sep> 7 <tb> Underwater bearing of turbine shaft <sep> 8 <tb> Turbine shaft upper bearing <sep> 9 <tb> Steel support structure for generator <sep> 10 <tb> Suction nozzle, co-rotating or fixed to the turbine chamber floor <sep> 11 <Tb> turbine chamber <sep> 12 <Tb> turbine chamber bottom <sep> 13 baffle (s) in the turbine chamber <sep> 14 <tb> Sagittarius in front of the Turbine Chamber <sep> 15 <tb> Contactor for cleaning the turbine chamber <sep> 16 <tb> Steel bars (suction and compression forces) <sep> 17 <tb> Generator (conventional or permanent synchronous) <sep> 18 <Tb> Upper water level <sep> 19 <Tb> lower water level <sep> 20 <Tb> inlet channel <sep> 21 <tb> Large rake in the inlet channel <sep> 22 <Tb> raid pool <sep> 23 <Tb> bottom outlet channel <sep> 24 <tb> Integrated Fish Lock <sep> 25 in the building <Tb> splash pool <sep> 26 <tb> flap (vertically movable at the end of the spill) <sep> 27 <Tb> outlet channel <sep> 28 <Tb> Crane <sep> 29 <Tb> overflow edge <sep> 30 <tb> Small power plant according to the invention <sep> 31

Claims

1. The invention relates to a complete small power plant (31) with centripetal turbine (1) for generating electricity from river water power. The small power station (31) is characterized in that it includes at least one horizontal centripetal turbine (1) integrated in the design of a structure with all the structural components required for economical operation of the hydropower plant. The invention meets the ecological conditions, such as fish friendliness.

2. small power plant (31) according to claim 1, characterized in that the cover plate (5) of the impeller (2) in the authoritative operating conditions at or just below the water level in the turbine chamber (12).

3. small power plant (31) according to claim 1, characterized in that the centripetal turbine (1) on the inlet side has no distributor.

4. small power plant (31) according to claim 1, characterized in that the centripetal turbine (1) has no flow control system.

5. Small power plant (31) according to claim 1, characterized in that the centripetal turbine (1) consists of a horizontal flat impeller (2) with the ratio of diameter to height of the blades (3) greater than 8: 1.

6. small power plant (31) according to claim 1, characterized in that the running blades (3) of the centripetal turbine (1) are curved only in the radial direction.

7. small power plant (31) according to claim 1, characterized in that there are at least 12 uniformly distributed over the circumference of the running blades (3), which are provided with a cover plate (5) and a water-permeable in the central region foot disk (4).

8. small power plant (31) according to claim 1, characterized in that in the water outlet of the centripetal turbine (1) a vertical suction nozzle (11) is mounted. This can be fixed so that it rotates with the impeller (2) or fixed on the underside fixed to the turbine chamber bottom (13).

9. small power plant (31) according to claim 1, characterized in that with the cover plate of the impeller of the turbine (5) to the flange steel struts (17) can absorb vertical suction and pressure forces during operation and thus the lightweight construction of the impeller (2) first allow.

10. small power plant (31) according to claim 1, characterized in that on the underside of the cover plate (5) of the impeller (2) a Strömungsumlenkelement (6) is fixed.

11. Small power plant (31) according to claim 1, characterized in that by the high above the underwater mirror (20) arranged centripetal turbine (1) space is available for a bottom discharge channel (24).

12. Small power plant (31) according to claim 1, characterized in that in the inlet channel (21) a slightly overhanging designed Grobrechen (22) is integrated.

13. Small power plant (31) according to claim 1, characterized in that the bottom outlet channel (24) of the small power station (31) also for cleaning the overhanging Grobrechens (22), when an automatically controlled contactors (15) the inlet channel into the turbine chamber (12 ) closes, at the same time the way in the bottom outlet channel (24) releases and the water through the bottom discharge channel (24) shoots.

14. small power plant (31) according to claim 1, characterized in that fish can also pass upstream, in the preferably in the small power plant (31) self-integrated fish lock (25).